Освітлювач лазера з твердого тіла

Предполагаемое изобретение относится к области техники, связанной с конструированием и изготовлением твердотельных лазеров и оптических квантовых усилителей с оптической ламповой накачкой. Оно может быть использовано практически во всех лазерных осветителях, в которых осуществляется оптическая накачка активных элементов цилиндрической формы с помощью ламп накачки. Аналогами предполагаемого изобретения являются ламповые осветители твердотельных лазеров, в которых одна, или несколько ламп накачки и цилиндрический активный элемент располагаются параллельно оси симметрии осветителя. Зеркальная отражательная поверхность осветителя в простейшем случае представляет собой цилиндр с круговым сечением (Белостоцкий Б.Р., Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. - М.: Сов. радио, 1972. - С.18 - 35). Недостатком аналогов является малый КПД осветителя. Это обусловлено тем, что часть излучения накачки испускаемого каждой лампой, поглощается как самой данной лампой, так и остальными лампами накачки, что является следствием цилиндрической формы отражательной зеркальной поверхности осветителя. Прототипом предполагаемого изобретения является осветитель твердотельного лазера, содержащий одну лампу накачки и цилиндрический активный элемент, оси которых расположены параллельно оси симметрии осветителя, симметрично относительно его оси в плоскости симметрии цилиндрической отражательной зеркальной поверхности осветителя. Расстояние между лампой и активным элементом определяется геометрическими размерами лампы и активного элемента, конструктивными элементами лампы, резонатора лазера, параметрами светофильтра, располагаемого между лампой и активным элементом, необходимыми условиями охлаждения, (Крылов К.И., Прокопенко ВТ., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. - Л.: Машиностроение, 1990. - С.142, рис.5.3-г). Недостатками прототипа являются малый КПД и неравномерная прокачка активного элемента по его сечению. Эти недостатки обусловлены выбором формы отражающей поверхности осветителя. Вследствие цилиндрической формы отражающей поверхности осветителя часть излучения лампы накачки после отражения от цилиндрической поверхности осветителя попадает на поверхность лампы и поглощается лампой. Этот недостаток можно назвать эффектом самозатенения (самоэкранирования) лампы накачки. Неполное использование излучения лампы накачки, ведет к снижению КПД лазера. Кроме того, имеет место неравномерная прокачка активного элемента по его сечению, так как на активный элемент излучение накачки практически не попадает со стороны, противоположной по отношению к лампе накачки, что ухудшает характеристики генерируемого излучения. Неравномерная прокачка активного элемента возникает, в частности, из-за того, что часть цилиндрической поверхности осветителя экранируется самим активным элементом и не освещается лампой накачки. Вследствие этого возникает неравномерное распределение плотности электромагнитного поля по сечению пучка генерируемого излучения, увеличивается неустойчивость диаграммы направленности, нарастает деформация изгиба активного элемента в процессе работы, что приводит к разъюстировке лазерного резонатора. В основу изобретения поставлена задача создать осветитель твердотельного лазера путем изменения формы и расположения отражательных элементов осветителя, обеспечивающий более полное использование излучения лампы накачки и повышение качества пучка лазерного излучения. Технический результат состоит в повышении КПД лазера и повышении равномерности прокачки активного элемента лазера. Технический результат достигается тем, что в осветителе твердотельного лазера, содержащем лампу накачки и цилиндрический активный элемент, оси которых расположены в плоскости симметрии цилиндрического осветителя симметрично относительно его оси, согласно изобретению установлены плоские зеркальные отражающие поверхности, ориентированные перпендикулярно плоскости симметрии осветителя и расположенные со стороны лампы накачки на расстоянии от оси симметрии осветителя и со стороны активного элемента на расстоянии от оси симметрии осветителя в соответствии с формулами где где - расстояние дополнительной зеркальной отражающей плоскости от оси симметрии осветителя (со стороны лампы); - расстояние дополнительной зеркальной отражающей плоскости от оси симметрии осветителя (со стороны активного элемента); - расстояние от оси симметрии осветителя до оси лампы накачки; - расстояние от оси симметрии осветителя до оси активного элемента; - угловые размеры (в сечении) лампы накачки относительно оси активного элемента. Угол определяется по формуле где - угловые размеры (в сечении) активного элемента относительно оси лампы накачки. Угол определяется по формуле где - радиус активного элемента, - радиус лампы накачки. Сущность изобретения состоит в следующем. В осветитель лазера вводятся два дополнительных отражательных элемента в виде плоских зеркал, расположенных параллельно оси симметрии осветителя и перпендикулярно его плоскости симметрии, в которой расположены оси лампы накачки и активного элемента. Вследствие этого, та часть излучения, которая в известных осветителях поглощалась лампой накачки, направляется на активный элемент, причем со стороны, противоположной по отношению к лампе накачки. Это обеспечивает одновременное повышение КПД осветителя лазера и повышение равномерности прокачки активного элемента. В известных технических решениях повышение равномерности прокачки активного элемента достигается за смет введения дополнительных ламп накачки, что приводит к увеличению потребляемой мощности и к снижению КПД лазера. На фиг.1 представлена схема осветителя твердотельного лазера. Осветитель содержит: 1 и 2 - плоские зеркала (показаны прямыми линиями и соответственно), установленные на расстоянии и соответственно, параллельно оси симметрии осветителя и перпендикулярно его плоскости симметрии, в которой находятся оси лампы накачки и активного элемента; 3 и 4 - цилиндрические зеркала (показаны дугами и соответственно), которые проектируют изображение лампы накачки на активный элемент лазера); 5 - лампа накачки; 6 - активный элемент. Для пояснения работы устройства введены следующие обозначения: -ось лампы накачки, - ось активного элемента; - изображение точки в плоском зеркале 1; - угол остаточного самозатенения лампы накачки; - угловые размеры лампы накачки; - угловые размеры активного элемента; - плоскость симметрии осветителя. Устройство работает следующим образом. Лучи, которые испускаются лампой накачки, последовательно отражаются от введенной согласно изобретению зеркальной плоскости 1. Затем от цилиндрической поверхности 3 (или 4) и, наконец, от введенной согласно изобретению зеркальной плоскости 2, попадают на активный элемент со стороны, противоположной по отношению к лампе накачки. Один из таких лучей показан на фиг.1, он попадает в точку цилиндрической отражающей поверхности. Согласно изобретению оба отмеченных ранее недостатка прототипа устраняются в предложенном осветителе. Во-первых, как видно из фиг.1, лучи, испускаемые лампой в пределах угла самозатенения лампы, попадают на активный элемент. Тем самым повышается КПД осветителя. Во-вторых, эти лучи попадают на активный элемент со стороны противоположной по отношению к лампе накачки, т.е. в пределах отмеченного ранее для прототипа угла затенения активного элемента. Это повышает равномерность прокачки активного элемента и устраняет отрицательные явления, обусловленные неравномерностью прокачки активного элемента. Ход лучей, попадающих от лампы непосредственно на отражающую цилиндрическую поверхность 3 (или 4) в пределах угла, ограниченного дугой (или и затем на активный элемент, не отличается от хода соответствующи х лучей для прототипа. Следует отметить, что в предлагаемом осветителе эффект самозатенения лампы накачки снижается, но не устраняется полностью. Это поясняет фиг.1. Точка представляет собой изображение точки в плоском зеркале 1. Точки и соответствуют положению осей лампы и активного элемента, соответственно. Угол остаточного самозатенения ограничен отрезками и (фиг.1). Чтобы определить оптимальное положение в осветителе отражающих плоскостей 1 и 2 в дальнейшем будем считать заданными следующие величины: и - радиусы активного элемента и лампы накачки, соответственно; и - расстояния от оси осветителя до оси лампы и до оси активного элемента, соответственно; - радиус цилиндрической поверхности осветителя. Кроме того, чтобы в количественном отношении оценить недостатки прототипа и выигрыш, который обеспечивает изобретение, воспользуемся несколькими упрощающими рассмотрение допущениями. Лампу накачки будем рассматривать как черное тело, имеющее температуру, равную цвето вой температуре плазмы. Активный элемент будем рассматривать как черное тело, имеющее температур у, близкую к комнатной. При рассмотрении хода лучей будем принимать во внимание только лучи, испускаемые лампой в направлении нормали к поверхности лампы. Обычно именно такие лучи характеризуются максимальной интенсивностью, поскольку угловое распределение интенсивности излучения, испускаемого с элемента поверхности лампы, близко к ламбертовскому. Будем также полагать, что цилиндрическая поверхность осветителя работает подобно вогнутому зеркалу, которое создает на поверхности активного элемента изображение лампы накачки. Расстояние зеркальной поверхности 1 от оси осветителя находим как решение уравнения где - угловые размеры лампы накачки относительно оси активного элемента. Угол определяется по формуле Аналогичным образом расстояние зеркальной поверхности 2 от оси осветителя находим как решение уравнения где - угловые размеры активного элемента относительно оси лампы накачки. Угол определяется по формуле Величину угла остаточного лампы находим по формуле самозатенения Аналогичный угол для активного элемента определяем как прототипа, представленного на фиг.2, Сопоставим теперь при всех прочих равных условиях эффективность осветителя на фиг.1 соответствующего изобретению, и эффективность осветителя, соответствующего прототипу. Для оценки на фиг.2 представлено сечение осветителя прототипа в плоскости, перпендикулярной оси симметрии осветителя, где 1 - лампа накачки; 2 - активный элемент; - ось лампы накачки; - ось активного элемента; - угол самозатенения лампы накачки; - угловые размеры лампы накачки; - угол затенения активного элемента; - угловые размеры активного элемента; - плоскость симметрии осветителя. Согласно ходу лучей, приведенному на фиг.2 лучи, испускаемые лампой и попадающие на цилиндрическую поверхность осветителя в пределах дуги (например, луч, попадающий в точку после отражения от цилиндрической поверхности осветителя попадают не на активный элемент, а на лампу накачки и поглощаются плазмой, заполняющей внутреннее пространство лампы. Тем самым излучение, испускаемое лампой в пределах угла, ограниченного дугой не используется для создания инверсной населенности в активном элементе. Вследствие этого снижается КПД лазера. Угол самозатенения лампы зависит от расстояния между осями лампы и активного элемента и от угловы х размеров лампы относительно оси активного элемента. Кроме того, согласно ходу лучей, приведенному на фиг.2, на активный элемент от лампы накачки не попадают лучи в пределах угла, ограниченного дугой Это приводит к неравномерной (односторонней) прокачке активного элемента. На основании хода лучей, представленного на фиг.1 и на фиг.2, получаем С целью количественной оценки возможного повышения КПД осветителя выполнены расчеты для некоторых конкретных значений параметров, входящи х в формулы (1 - 9). Полагаем: где - коэффициент отражения зеркальных поверхностей осветителей, представленных на фиг.1 и 2; - угол самозатенения лампы для прототипа; - угол затенения активного элемента для прототипа; - отношение длины окружности к ее диаметру. Угол самозатенения лампы для прототипа и угол затенения активного элемента также для прототипа, которые входят в формулы (7, 8) находим из уравнений Введем коэффициент как отношение эффективности осветителя, предложенного в настоящем изобретении и представленного на фиг.1, к эффективности осветителя Для значений коэффициенты осветителя: соответственно. повышения и получены эффективности и